CN1119510C - 具有内壳和外壳的透平机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透平机(1)，尤其是汽轮机，它具有一主轴(2)、内壳(3)、外壳(4)、顶部(5)、底部(6)、在外壳(4)与内壳(3)之间形成一径向间隙(7)，该间隙在底部(6)有一处狭窄部(8)。

Description

具有内壳和外壳的透平机

技术领域

本发明涉及一种透平机，尤其是汽轮机，它具有相互间隔的内壳与外壳，因此在内壳与外壳之间形成间隙。

背景技术

从德国专利申请DE 35 22 916 A1可知，在透平机，尤其是汽轮机运行时，内壳、外壳以及涡轮转子可能因为作用其上的温度不同而不同程度地变长。因此，实践中通常采用内外壳与转子之间的平移方式来补偿其沿轴向加长后的区别。由于作用在内壳与外壳上的温度也不相同，就可能在内壳与外壳之间产生温度级差，从而可能导致透平机在运行或冷却过程中不同程度地变形。

英国专利文献740 944涉及一种热力透平机，尤其是汽轮机，它包括一个与外壳有一间隙的内壳。透平机由一种驱动介质驱动，驱动介质的一部分分流流过内外壳之间的间隙。在透平机运行过程中，这部分驱动介质作为外壳的冷却介质，因此热的内壳与冷的外壳热力分离。在外壳内侧固定有一些散热片，用于改善外壳的传热。

美国专利5 388 960涉及一种刚运行结束的高温状态下汽轮机的强制空气冷却装置，该装置用于安全防范并使汽轮机迅速冷却。

美国专利3 746 463涉及一种具有内外壳的多级轴流式汽轮机，其内壳在外壳中的安装方式限制了内壳与外壳之间的轴向相对移动，但径向的相对移动不受限制，这些移动是温差导致的。内壳因此靠大量的键和键槽、安装销及轴向对中的接头安装在外壳中，由此形成内壳中相对于外壳呈轴向的蓄槽及凹槽，因而内壳得以相对于外壳自由径向移动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透平机，其外壳的热变形比临界值小。

基于上述目的及其它所期望的目的，依据本发明的透平机，尤其是汽轮机，具有主轴、内壳和外壳、顶部和底部，其外壳包围内壳并形成径向间隙，此间隙在底部有一狭窄部，此汽轮机还包括一将外壳安装于内壳上的安装部以及沿主轴延伸的叶片栅区，所述狭窄部由此在安装部以外沿主轴延伸并与叶片栅区至少轴向部分重叠。

本发明依据的物理效应是，透平机关机时内壳与外壳的温度不同，由于这一温差，内外壳之间的间隙中的蒸汽类气体介质产生由透平机的底部朝向顶部的热对流运动(温差驱动的气体流动)，由此可能造成外壳的温度差别，使顶部的温度高于底部。透平机关机后外壳上的这一温差可能导致从顶部到底部的纵向弯曲。这在某些严格条件下可能导致内壳的径向移位以及内壳上转子的动叶片的磨损。

内壳与外壳之间的间隙在底部形成狭窄区，使热能从内壳更有效地传导至外壳，并提高热对流效率，尤其是顶部涡旋对流的效率。由此外壳温度沿其高度形成超线性温度曲线图。即，外壳的温度变化曲线在底部的温度梯度(每单位长度温度的变化ΔT/ΔH)大于1。外壳上的热应力因此得以减弱，外壳沿主轴弯曲的机会也就减少了。依据本发明的另一特点，在所述间隙内，内壳朝外壳伸展，使得内壳与外壳之间的间隙沿主轴方向变窄。本发明还适用于一种透平机，特别是汽轮机，它具有一个替代内壳或附加在内壳上的导向叶片支座。

依据本发明的又一特点，热接触用附加块与内壳传热连接并设置在底部。构成附加块的材料可与内壳相同，附加块可以是内壳的一部分，特意与内壳铸成一体，或与内壳焊接成一体，或以适当的方式固定在内壳上。

依据本发明的再一特点，附加块或内壳的附加部分的横断面可以大致呈三角形、长方形，或者其它适合内外壳的特殊几何形状以及透平机运行的物理参数的形状。

附加块或内壳的附加部分最好沿主轴定向并在内壳上形成一处拱肋或凸棱。

依据本发明的再一特点，顶部有一平衡块特意与内壳相连。平衡块平衡内壳的质量，使其质量中心线与透平机的主轴相重合。平衡块的形状可以与附加块相同以使内壳对称。平衡块最好也沿主轴定向。

外壳在底部向内壳扩展，使内外壳之间的间隙变窄，这在原理上也是可行的。

透平机最好是高压汽轮机或中压汽轮机。

依据本发明的再一特点，构成内壳的两块部件沿水平面相互分开，每块内壳部件具有最好呈水平径向向外的翼缘，并通过这些翼缘固定在一起。通常用螺栓和螺母之类的零件将翼缘固定在一起。这些翼缘也可以在顶部与底部之间的水平面上减小内外壳之间的间隙。这样可以限制从底部到顶部的蒸汽对流，反之亦然。在此情况下底部的间隙变窄，由于狭窄部是最可取的，结果改善了内壳与外壳之间的热传导，底部外壳的温度得以提升。

尽管本发明在这里描述的是汽轮机实施例，但并非因此就仅限于所举的例子。只要不背离本发明的精神并在本发明的相应范畴之内，就可以进行各种改动和改装。本发明可应用于各种具有内壳与外壳的透平机，比如汽轮机和燃气透平以及诸如此类的透平机。

附图说明

不过，结合附图参考下述的实施例，可以更加透彻地理解本发明的结构、目的及优点。

附图中对理解本发明有帮助的透平机零件有详细的描述，那些常用的透平机零件就不再详述。

附图中有的是简图，有的不成比例，附图中：

图1为一汽轮机沿主轴的断面图，

图2为汽轮机外壳的温度沿其高度变化的不同温度特性曲线，

图3是由于图2所示温度梯度导致的沿主轴的热变形图，

图4和图5是图1所示汽轮机的横断面图。

具体实施方式

下面详述各图。图1是高压汽轮机1沿主轴2的断面图。汽轮机1的构成为：装有动叶片17的涡轮转子15，装有导向叶片18的内壳3沿轴向环绕涡轮转子15，动叶片17和导向叶片18被排列布置成一个叶片栅区24，它沿主轴2伸展，外壳4包围内壳3。汽轮机1运行过程中，中间被加压的蒸汽从进汽区13流向排汽区14，导向叶片18与动叶片17设置在该进汽区13与排汽区14之间。外壳4在靠近进汽区及排汽区的安装部20处安装在内壳3上。内壳3由两部分3A，3B组成，3A位于汽轮机1的顶部5而3B位于底部6。内壳3与外壳4之间是径向间隙7，其具有呈环形的横断面并沿主轴2延伸。间隙7在底部6沿主轴2变窄(参见图4、图5，狭窄区8)，并在外侧至少部分与叶片栅区24沿轴向重叠，尤其是与安装部20之间的叶片栅区24沿轴向重叠。

图2所示为外壳4的温度沿其高度变化的不同温度曲线21、22、23。外壳4的高度从外壳4的底部朝顶部计算。外壳4的顶部表示为H_top，外壳4在主轴2处的高度表示为H₂，外壳4的底部与顶部的温差表示为ΔT。温度曲线22是线性温度曲线。温度曲线23是超线性温度曲线，即底部与主轴2之间的温差大于主轴2与顶部的温差。温度曲线21是亚线性曲线，即底部与主轴2之间的温差小于主轴2与外壳4顶部的温差。

这些温度曲线导致外壳4沿主轴2不同程度的弯曲。图3所示为外壳4在图2所示的温度曲线时弯曲程度的数学计算结果。

图4和图5是汽轮机1的横断面图。内壳3由两部分3A，3B组成，它们在水平面11上装配在一起，每一部分均有两个彼此相对的翼缘12A和12B。外壳4的横断面呈环状。内壳3的环形横断面有一些径向朝外的凸棱。其中有两块凸棱由水平翼缘12A和12B形成。垂直方向的凸棱由位于汽轮机1底部6的附加块9形成。另一块垂直方向的凸棱由位于汽轮机1顶部5的平衡块10形成。外壳4与内壳3之间是环状的径向间隙7。间隙7在水平面11处因翼缘12A和12B而变窄。间隙7在外壳4与翼缘12A、12B之间形成水平狭窄部19。间隙7的另一处狭窄部8由附加块9在间隙7内朝外壳4伸展而成。依据图4的实施例，所有凸棱(附加块9、平衡块10以及翼缘12A、12B)的横断面大致呈长方形。平衡块10与附加块9沿主轴延伸并至少部分在安装部20(安装设施)外，而且(至少部分)与叶片栅区24轴向重叠。

图5中附加块9的横断面大致呈三角形，平衡块10的横断面也可以是三角形。

在汽轮机1关机和冷却过程中，在间隙7处形成气体介质、亦即蒸汽的自然对流。由于附加块9将大量的热能从内壳3传导至外壳4，使得在狭窄部8与水平狭窄部19之间的间隙处也产生自然对流。这一对流使热能也传导到外壳4，使得外壳4在狭窄部8与水平面11之间的内表面25上的温度T也增高了。而内壳3外表面24上的温度则没有多大变化。

附图标记请单：

1.透平机，汽轮机

2.主轴

3.内壳

3A，3B内壳部件

4.外壳

5.顶部

6.底部

7.径向间隙

8.狭窄部

9.附加块

10.平衡块

11.水平面

12.12A，12B翼缘

13.进汽区

14.排汽区

15.涡轮转子

16.蒸汽

17.动叶片

18.导向叶片

19.水平狭窄部

20.安装部

21.亚线性温度曲线

22.线性温度曲线

23.超线性温度曲线

24.叶片栅区

Claims (12)

1.一种透平机(1)，它具有一主轴(2)、内壳(3)、外壳(4)、顶部(5)、底部(6)、将内壳(3)安装在外壳(4)上的安装部(20)、沿主轴(2)延伸的叶片栅区(24)，其中，外壳(4)围绕内壳(3)形成一径向间隙(7)，该间隙(7)在底部(6)有一狭窄部(8)，该狭窄部(8)在安装部(20)以外沿主轴(2)延伸，并沿主轴(2)方向与叶片栅区(24)至少部分重叠。

2.如权利要求1所述的透平机(1)，其内壳(3)在间隙(7)处向外壳(4)延伸形成狭窄部(8)。

3.如上述任一项权利要求所述的透平机(1)，其具有与内壳(3)热力相连并安装在底部(6)的导热附加块(9)。

4.如权利要求3所述的透平机，其附加块(9)的横断面大致呈三角形、长方形或者其它适合内外壳的特殊几何形状以及透平机运行的物理参数的形状。

5.如权利要求3所述的透平机(1)，其附加块(9)沿主轴(2)方向定向。

6.如权利要求1或2所述的透平机(1)，其中，在所述顶部(5)设有平衡块(10)。

7.如权利要求1或2所述的透平机(1)，其中，在所述底部(6)，所述外壳(4)朝内壳(3)伸展。

8.如权利要求1或2所述的透平机(1)，是一高压汽轮机或一中压汽轮机。

9.如权利要求1或2所述的透平机(1)，其内壳(3)包括两部分(3A，3B)，这两部分内壳部件(3A，3B)沿水平面(11)可相互分开。

10.如权利要求9所述的透平机(1)，其内壳部件(3A，3B)具有呈水平径向朝外的翼缘(12A，12B)。

11.如权利要求1所述的透平机(1)，其中，所述透平机是汽轮机，

12.如权利要求6所述的透平机(1)，其中，所述平衡块(10)与所述内壳(3)相连。

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